1

Ikasturtea: 2017-2018

Data: 2018,07,23

Ikaslea: Lahidalga, Fernandez de Arroyabe, Joseba

Zuzendaria: Uriondo, Arrue, Zigor

INDUSTRIA TERKNOLOGIAREN INGENIERITZAKO GRADUA

GRADU AMARIERAKO LANA

Barne Errekuntza motorren hondakin

beroa berreskuratzea: ORC eta bero

trukagailuaren dimentsionamendua

brought to you by COREView metadata, citation and similar papers at core.ac.uk

provided by Archivo Digital para la Docencia y la Investigación

2

AURKIBIDEA

1.- LABURPEN HIRUELEDUNA ........................................................................................................................ 4

2.-TAULA/ILUSTRAZIO/LABURDURA ZERRENDA ................................................................................ 5

3.-SARRERA ............................................................................................................................................................. 6

4.- TESTUINGURUA .............................................................................................................................................. 7

5.-HELBURUAK ETA IRISMENA .................................................................................................................... 10

6- ONURAK ............................................................................................................................................................ 12

6.1- ONURA TEKNIKOAK ............................................................................................................................ 12

6.2-ONURA EKONOMIKOA ......................................................................................................................... 12

6.3- ONURA SOZIALAK ................................................................................................................................ 13

7. ALTERNATIBA ANALISIA ........................................................................................................................... 14

7.1- ORC zikloen konfigurazio ezberdinak .......................................................................................... 14

a) ORC sinplea: ....................................................................................................................................... 14

b) ORC leheneratzailea ....................................................................................................................... 15

c) ORC Leheneratzaile bikoitza ....................................................................................................... 15

d) ORC Leheneratzaile birberotzearekin .................................................................................... 15

Hautatutako konfigurazioak ................................................................................................................. 15

7.2- Hautagai dauden fluidoak.................................................................................................................. 16

8.-KALKULU ETA ERANTZUNAK .................................................................................................................. 18

8.1.-ORC SISTEMAREN EMAITZAK ......................................................................................................... 18

8.2.-BERO TRUKAGAILUAREN EMAITZAK ......................................................................................... 20

8.3.- T-S ETA P-H DIAGRAMAK. PROPIETATEEN TAULAK .......................................................... 22

9.-METODOLOGIA ............................................................................................................................................... 23

9.1-ORC KONFIGURAZIO SINPLEA ......................................................................................................... 23

9.1.1-ARIKETAREN DESKRIBAPENA ................................................................................................ 23

9.1.2- EBAZPENA ....................................................................................................................................... 25

9.2- BERO TRUKAGAILUAREN DIMENTSIONAMENDUA .............................................................. 27

9.2.1-LTMD METODOA ........................................................................................................................... 28

10.-GANTT-en DIAGRAMA .............................................................................................................................. 35

3

10.1- GANTT DIAGRAMAREN AZALPENA ........................................................................................... 37

10.1.1- INFORMAZIO BILAKETA: ....................................................................................................... 37

10.1.2- KONFIGURAZIO EZBERDINEN IKERKETA: ..................................................................... 37

10.1.3- PROGRAMAREN IKASKETA: ................................................................................................. 37

10.1.4- EMAITZEN LORPENA: .............................................................................................................. 37

10.1.5- MEMORIA IDAZTEA: ................................................................................................................. 37

10.1.6- MEMORIAREN ZUZENKETA: ................................................................................................ 37

10.1.7- AZKENEKO ZUZENKETA ETA LANA ENTREGATZEA: ................................................ 37

11.-ASPEKTU EKONOMIKOAK: AURREKONTUA .................................................................................. 38

12.-ARRISKU ANALISIA .................................................................................................................................... 39

12.1- HASIERAKO DATUEKIN SORTZEN DIREN ARAZOAK ......................................................... 39

12.2- DIMENTSIONAMENDURAKO HARTU EGIN DIREN HIPOTESIEN ARRISKUAK ........ 39

12.3-ERABILI EGITEN DIREN ELEMENTUEN ARRISKUAK .......................................................... 40

12.4- ARRISKU MATRIZEA ......................................................................................................................... 40

13.-ONDORIOAK .................................................................................................................................................. 41

14.-BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................................. 42

I-ERANSKINA: FLUIDO EZBERDINEN PROPIETATE TERMODINAMIKOAK .............................. 46

R1233zd(E) ........................................................................................................................................ 46

R245fa .................................................................................................................................................. 46

R134a.................................................................................................................................................... 47

II-ERANSKINA: T-s eta P-h diagramak ....................................................................................................... 48

R134a.................................................................................................................................................... 48

R1233zf(E) ......................................................................................................................................... 49

R245fa .................................................................................................................................................. 50

III-ERANSKINA: ITERAZIOAK ........................................................................................................................ 51

R245fa .................................................................................................................................................. 51

R134a.................................................................................................................................................... 52

R1233zd(E) ........................................................................................................................................ 53

IV-ERANSKINA: EES programaren kodiagoa ......................................................................................... 54

4

1.- LABURPEN HIRUELEDUNA

El fin de este trabajo es utilizar los calores de agua de camisas residuales de un

motor térmico mediante un sistema ORC (Organic Residual Cycle) con el fin de lograr

electricidad o trabajo. El estudio se enfocará, primero en la configuración del ciclo para

que sea el más óptimo y después en el fluido con el que trabajará. Se obtendrán

diferentes soluciones y conclusiones y para ello recurriremos a la herramienta

informática EES (Engineering Equation Solver). A la hora de la selección se tendrá en

cuenta no solo los ámbitos termodinámicos sino que también los económicos y

medioambientales. Los resultados se expondrán mediante gráficos, tablas y

parámetros más significativos con el fin de lograr una idónea (adecuada) comparación.

Por último, se dimensionará el intercambiador de calor.

Lan honen helburua itsasontzi baten motor termikoak sortzen duen hondakin

beroak dituen ORC (Organic Residual Cycle) baten bitartez erabiltzean datza. Azken

finean sistema honek galtzen diren uraren bero hondakinak erabiltzen ditu

elektrizitatea edota lana sortzeko. Lan bikoitza egingo da, alde batetik zikloaren

hautaketa egingo da eta bestetik zein fluido den egokiena lan hori lortzeko. Hauekin

hainbat soluzio eta ondorio lortuko dira. Hau guztia egiteko EES programa

informatikoa erabiliko da. Aukeraketa egiterako orduan irizpide termodinamikoak ez

ezik, bai ingurunean baita ekonomian eduki dezaketen ondorioak aztertuko ditugu

gure aukeraketa ahalik eta zehatzena izateko. Emaitzak tauletan, grafikoetan eta

parametro garrantzitsuenetan eman egingo dira beraien konparaketa ahalik eta

zehatzena izateko. Azkenik lana bukatzeko bero trukagailuaren dimentsionaketa

egingo dugu.

The aim of this work is to design an ORC (Organic Residual Cycle) to re-use

waste heat from a combustion engine to produce electricity or work. The best cycle

and fluid are going to be decided in this study and EES software is going to be used.

During the selection procedure not only thermodynamic reasons will be considered,

economical and environment criterions will be kept in mind. All the results are going

to be provided in tables, graphics and most representative parameters in order to

provide the best comparisons between different options. Finally, a value of the heat

exchanger size is going to be calculated.

5

2.-TAULA/ILUSTRAZIO/LABURDURA

ZERRENDA

Taula 1: Fluido ezberdinen ikerketa ........................................................................................... 9

Taula 2: Ikerketarako erabili diren fluido ezberdinen propietateak .................................. 18

Taula 3: Errendimendu maximoan lortzen diren balioak .................................................... 19

Taula 4:Hasierako datuak ............................................................................................................ 23

Taula 5:Dimentsionamendua lortzeko hasierako balioak .................................................... 28

Taula 6: Hiruki forman jarritako hodien parametroak ......................................................... 29

Taula 7: Lauki moduan jarritako hodien parametroak ......................................................... 29

Taula 8:Gantt-en diagrma ........................................................................................................... 35

Taula 9:Proiektuan lan egiten duten baliabideak ................................................................... 36

Taula 10:Aurrekontua .................................................................................................................. 38

Taula 11:Arrisku matrizea .......................................................................................................... 40

Irudia 1: ORC zikloen konfigurazio ezberdinak .................................................................... 14

Irudia 2: Fluido ezbedinen errendimenduak lurrungailuaren tenperaturarekiko ........ 19

Irudia 3: Abiaduraren aldaketa hodi kopuruagatik .............................................................. 20

Irudia 4:Bero trukagailuaren luzeera hodi ezberdinekin .................................................... 21

Irudia 5:Luzera eta U-ren arteko konparaketa ...................................................................... 21

Irudia 6: ORC konfigurazio sinplearen eskema .................................................................... 23

Irudia 7:Hasierako datuak ......................................................................................................... 24

Irudia 8:U-tube motako bero trukagailua .............................................................................. 28

Irudia 9:BDS lortzeko grafikoak .............................................................................................. 30

Irudia 10: Hozgarriak eta Urak jarraiutako ibilbidea bero trukagailuaren barruan .... 31

Irudia 11: Bira bakarreko grafikoa .......................................................................................... 32

Irudia 12: Bira bikoitza edo gehiagoko grafikoa .................................................................. 33

6

3.-SARRERA

Dokumentu honek itsasontzi batean instalatuko den ORC sistema bat

diseinatzea izango du helburu. Horretarako, problema alde termodinamikotik ikusi

egingo da eta aldi berean hau lortzeko eman behar diren pausua eta hartu beharreko

erabakiak azalduko dira.

Testuinguruan orain arte egin diren ikerketa eta ORC sistemak izan duen

bilakaera historian zehar azaldu egingo da eta proiektua gauzatzeko aukerarik onena,

bideragarritasun eta ikasketa finantzarioek lagunduta, erabakiko da. Proiektua

gauzatzeak ekar ditzakeen onurak atal honetan jorratuko dira baita. Proiektua zertan

datzan eta ekoizkinaren eta bere atal guztien definizioa egingo da.

Azkenik, aztertutako gai guztietan oinarrituz, erabaki bat hartuko da eta honen

berri emango da txostenaren bukaeran. Aurrera jarraitzeko irizpide bezala

gauzatutako azterketak positiboak izatea eta bideragarria izatea izango da.

7

4.- TESTUINGURUA

Gizakia betidanik saiatu egin da beroari ekarpen erabilgarri bat ematen. Hori

dela eta azken urte hauetan garrantzia handia eman diote tenperatura baxuko beroari.

Bero mota hau berreskuratzeko eta elektrizitatea sortzeko hainbat sailetan erabili egin

da etorkizun handia erakutsiz izan ere bero hauek industriaren ehuneko 50 suposatzen

dutelako.

Tenperatura baxuko zikloak izan dira. Sistemaren erabilpen hedatua beraren

sinpletasunean eta beharrezko elementuen sinpletasunean oinarritzen da. ORC

sistemetan fluido organikoak erabiltzearen zergatia beroaren tenperatura baxuan

datza. Tenperatura hauetan, urak ez luke behar bezalako lana eta errendimendua

lortuko, hala ere ORC sistemak tenperatu baxu hauetan elektrizitatea lortu dezakete

eskala txikian.

Orain arte egin diren ikerketa gehienak ORC barruan joango den fluidoan

oinarritu dira. Gainera, ondorioztatu egin dute lurrungailuaren presioak eragin handia

duela ORC-aren eraginkortasunean [4]-[6]. Aldi berean, Gnutek et al eta Chen et al

biek R134a-ren alternatibak aurkitzen saiatu ziren. Lehenak R134-a fluidoa erabiliz,

bero hondakinak ahalik eta hoberen berreskuratzea zeukan helburu, horretarako

hedatze makina ezberdinak jarri zituen [8]. Bigarrenak R134-a fluidoa erabili ordez,

CO2 erabili zuen eta lortutako potentzia ez zen asko handitu [9].

Oraindik egin diren ikerketa gehienetan turbina erabili ordez hedatzaile

bolumetriko bat erabiltzen dute elektrizitatea lortzeko. Honen arrazoia beraien

errendimendua, mantentze errazak, errendimendu isoentropiko handiak, tenperatura

txikiko zikloetan elektrizitate gehiago sortzeak turbinekin konparatuz eta merkatuaren

eskaintza handia dira. Bereziki, lekualdatze hedagailuekin (expander-a scroll-arekin)

egin diren ikerketa esperimentalek etorkizun handiko emaitzak frogatu dituzte, % 48

eta % 68 arteko errendimendu isoentropikoekin [11]–[15]. Torlojuan (expander-a

screw-ean) hedapena etorkizun handiko beste konponbide bat da. Ahalmen altuetara

hobeto moldatzen da eta sarrerako likido presentzia jasaten du, ziklo "hezeko" [16]

diseinua baimenduz.

1 Taulak literatura zientifikoa laburtzen du ORC zikloetarako lan fluido

zelaian. Lan desberdinak konparatzeko hurrengo ezaugarriak kontuan hartu dira:

aplikazioaren helburua eta lurrunketako zein kondentsaziorako tenperatura mailak.

ORC teknologiaren mugarik handiena bero-iturriaren tenperatura da, eta ez

bere presio altua. Horregatik, tenperatura denez ORC zikloak baldintzatzen duten

zergatirik handiena, turbinaren sarrera presioan oinarritzen diren lanak [17] adibidez

kanpoan utzi dira.

8

1 taulan argi ikus daiteke ikerketa asko egin direla fluido ezberdinekin. Hala

ere, ez da fluidorik egokiena lortu eta honen arrazoi nagusia fluidoak aukeratzeko

orduan ikerketaren egile bakoitzak hipotesi ezberdinak egin dituela da. Hauek dira

hipotesiak hartzerako orduan kontuan hartu diren faktoreak:

Egile batzuek kontuan hartzen dituzte ingurumen-inpaktua,

hurrengo faktoreak analizatuz: ozono geruza apurtzeko

potentziala ingelesez Ozone Depletion Potential (ODP), berotegi

efektua indartzen duen potentziala ingelesez Global Warming

Potential (GWP), sukoitasun-tenperatura edo lan-fluidoaren

toxikotasuna.

Ikerketa batzuetan hainbat egile ez dituzte tenperatura mailak

kontuan hartu eta lan egoera ezberdinetan tenperatura horren

mugatzaile bezala lan egin dezake egoerarik optimoa ematen

digun fluidoa aukeratzerako orduan.

ORC sistema lan egingo duen eremua fluidoaren aukeraketa eta

lortu nahi den helburua baldintzatzen dute. Eguzki instalazio

batean errendimendua handitu nahi dugu, baina bero hondakina

berreskuratzeko erabiltzen diren ORC sistemetan elektrizitatea

lortzea da gure helburua [18].

Hemendik ondorioztatu daiteke ez dagoela fluido egoki bat eta beraz fluido

bakoitzak bere egoerak dituela, horregatik ORC sistema bat diseinatzen hasten garen

bakoitzean fluido ezberdinen azterketa egitea nahitaezkoa dela, honen errendimendu

edo helbururik hoberena lortzeko.

Proiektu honetan fluidoaren aukeraketa ez ezik lurrungailuaren

dimentsionamendua ere lortu behar da. Horretara LTMD metodoa erabili egingo da

eta metodo iteratibo bat denez fluidoaren aukeraketan gertatzen den gauza berdina

gertatzen da.

1 taulan hainbat egileren liburuak aurkeztu dira eta bertan bero trukagailuen

diseinu metodoak aurkezten dira, baina bakoitzak faktore ezberdinak kontuan hartzen

ditu. Honek bide ezberdinak aurkezten ditu bero trukagailu bat lortzeko, gure bidea

zailduz baina bide anitzak emanez gure helburua lortzeko.

9

Egilea (k) Helburua Tkonde[ºC] Tlurrun[ºC] Ikertutako fluidoak Gomendatutako Fluidoa

Badr,1958 [4] Bero hondakina berreskuratu 30-50 120 R11, R113, R114 R113

Maizza y Maizza,2001 [19] Bero hondakina berreskuratu 35-60 80-110 {-} R123,R124

Liu eta al, 2004 [26] Motorra hozteko beroa berreskuratu

30 150-200 R123, isopentano, HFE7100, Benceno, Tolueno, p-

xileno

Benceno, tolueno, R123

El chammas y clodic, 2005 [27] Bero hondakina berreskuratu 55 60-150 Agua, R123, isopentano,R245ca, R245fa, butano,

isobutano y R-152a

Agua, R245-ca e isopentano

Dai, 2009 [6] Bero hondakina berreskuratu 25 145 Agua, amoniaco, butano, isobutano, R11, R123,

R141B,R236EA, R245CA, R123

R236EA

Desai, 2009 [24] Bero hondakina berreskuratu 40 120 Alcalinos, Benceno, R113, R123, R141b, R236ea,

R245ca, R245fa, R365mfc, tolueno

Tolueno, benceno

Lemort et al,2007 [21] Bero hondakina berreskuratu 35 60-100 R245fa,R123, R134a, n-Pentano R123, n-pentano

Gu, 2009 [5] Bero hondakina berreskuratu 50 80-220 R600a, R245fa, R123, R113 R113, R123

Mago, 2008 [22] Bero hondakina berreskuratu 25 100-210 R113, R123, R245ca, Isobutano R113

Robert W. Sherth 2007 Bero trukagailuen dimentsionamendua

Sadic Kakac Bero trukagailuen dimentsionamendua

Colson & Richardson Bero trukagailuen dimentsionamendua

M.Nietsche & R.O.Gbadamosi Bero trukagailuen dimentsionamendua

Taula 1: Fluido ezberdinen eta bero trukagailuen dimentsionaketarako ikerketak

10

5.-HELBURUAK ETA IRISMENA

Dokumentu guztian zehar askotan adierazi dugun bezala proiektu honen

helburua itsasontzi batean ezarriko den ORC sistema bat diseinatzean datza. ORC hori

motorrak erabiltzen duen ur beroa erabiliko du bere barnean doan fluidoa berotzeko,

bertako beroa berrerabiltzeko eta itsasontzian bertan beste elektrizitate iturri bat

lortzeko.

ORC sistema honek motorrak bero moduan galtzen duen energia berrerabiltzea

du helburu. Bero hauek ez dira tenperatura altukoak beraz ezinezko da ohiko Rankine

ziklo bat erabiltzea ura fluido bezala erabiliz. Honen arrazoia urak 200ºC tenperatura

behar duela errendimendu hona eman ahal izateko eta horrelako tenperaturak

ezinezkoak direla motor baten bero hondakinekin. Ura erabili ezin daitekeenez, ORC

bat diseinatu da. Sistema honek, Rankine zikloaren elementu zein prozesu berdinak

jasaten ditu, hala ere ura fluido bezala erabili ordez, hozgarri bat erabiltzen du

lurruntze tenperatura txikia duena. Fluido hauekin errendimendu hobeago bat lortu

daiteke tenperatura baxuago bat erabiliz.

Proiektua aurrera eraman ahal izateko modu egoki batean hiru zatitan

banatuko da proiektuan zehar egingo diren prozesuak:

Lehenengo pausoan ORC konfigurazioari eta fluidoari buruz hausnartu

egingo da. Urrats honetan konfigurazio horren hautaketa egingo da

baliabide teknikoak zein ekonomikoak kontuan hartuz. Fluidoaren

aukeraketa faktore askoren menpe dago. Izan ere, aurretik esan dugun

moduan, hozgarri hauek ingurugiroan inpaktu handia daukate eta

hauetariko asko desagertzear daude.

Bigarren zatian, konfigurazioen azterketarekin hasiko gara. Hau

egiteko EES programa informatikoa erabili egingo da. Honekin Fluido

zein puntu ezberdinen propietate ezberdinak erraz kalkulatu daitezke,

ebazpen termodinamiko egokia lortuz. Prozesu iteratibo bat izango da

bai lurrungailuaren zein kondentsagailuaren presioak lortzeko. Behin bi

presio horiek edukita, zikloaren errendimendua zein potentzia lortzeari

ekingo zaio. Taulak eta errendimendu diagramak egingo dira

konparaketa errazteko eta aukeraketa zuzena egiteko. Aukeraketa hori

egiteko aurretik esandako faktore guztiak kontuan hartuko dira.

Azkeneko urratsean bero trukagailuen diseinu prozesuarekin hasiko

gara. Dimentsionamendu honekin ORC zikloaren errendimendua eragin

handia duenez, oso garrantzitsua da hau egitea. Hau lortzeko, EES

programa erabiliko da eta bertan prozesu iteratiboak eta sinplifikazioak

eginez bero trukagailuaren dimentsionaketa lortuko da. Sinplifikazio

hauek, metodologia arloan azaldu egingo dira sakonago.

11

Laburbilduz proiektu honen helburuak hiru direla adieraz dezakegu:

Fluidoaren hautaketa egokiak egitea, mota handiko faktore asko

kontuan hartuz, ez soilik termodinamikoa.

ORC-aren konfigurazio optimoaren aukeraketa egitean, garrantzia

handia duten faktoreak kontuan hartuz.

Bero trukagailuen dimentsionaketa lortzea

12

6- ONURAK

Gaur egun, proiektu baten onurak identifikatzean, garrantzitsua gerta daiteke.

Honen zergatia, proiektuan parte hartzen duten pertsonentzat datza, izan ere, onurak

motibazio bilakatzen dira proiektuak aurrera eramateko eta arazoei aurre egiteko.

Proiektu honen onurak hiru motetan bereizi ditzakegu:

6.1- ONURA TEKNIKOAK

Testu honetan askotan adierazi den moduan, ORC bat diseinatzen dugun

bakoitzean honen konfigurazioa nolakoa izango den eta bertan erabili egingo den

fluidoaren ikasketa inplizitua dakar. Beraz, proiektu honen eginkizun bat bi arazo

horiei erantzuna ematea izango da, beraz proiektu honek lortu dezakeen onurarik

garrantzitsuena ORC sistema erabilgarri bat lortzea da.

ORC hau instalatu egingo den itsasontzian elektrizitatea lortu egingo dute

dohainik. Ontzi hauek normalean bidai luzeak egiten dituzte, beraz energia hau oso

erabilia izan daiteke tripulazioan.

6.2-ONURA EKONOMIKOA

Gaur egun, edozein teknologia berri eraiki edo ezarri nahi denean, honen onura

ekonomikoak beraien errentagarritasunaren menpe gelditzen dira. Hala ere, proiektu

honek ORC ziklo bat diseinatzean datza, orregatik proiektu honen errentagarritasuna

ontzat emango da hasiera batetik. Honen arrazoia, ORC sistemak jasan dituzten

ikerketa guztiak dira. Orain arte ORC ziklo bat diseinatzen dugunean honen

konfigurazioa eta fluido azterketak bakarrik ikertzen dira eta honek ez du suposatzen

kostu handirik.

Teknologia honen ezarpenaz baliatuko diren pertsonei buruz hitz egiten

dugunean, hauek jasaten duten onura ekonomikoa handia dela adieraz dezakegu.

Lehenik eta behi, orain arte ez zeukaten elektrizitate irabazi egingo dute era dohain

batean, eta honek itsasontziaren efizientzian eta produktibitatean eragin onuragarria

izango de. Bestetik, teknologia ezarpen honekin, motorrak tenperatura gutxiagoarekin

lan egingo du eta beraz motorrak hozteko behar diren ponpen kopurua edo hauen

tamaina gutxitu egingo da ontziaren kostua eta mantentze lanak gutxituz.

13

6.3- ONURA SOZIALAK

Proiektu honek aurreko onurak ez ezik beste onura sozial garrantzitsu asko

kontuan hartzen ditu, azken finean proiektua aurrera eramateko ORC sistemak

ingurugiroan eduki ahal dituen inpaktu gehienak kontuan hartu egin dira, bai fluidoa

aukeratzerako orduan bai tenperaturekin jolastea.

ORC-aren helburua motorretik irteten diren ur beroen tenperatura jaistea du.

Tenperatura jaitsiera hori itsasoarekin duen tenperatura aldaketa horrek txikitzen da

bertako oxigeno eskari biologikoa (OEB)-k konstanteago mantenduz. OEB honek

konstante mantentzen denez bertan bizi diren organismo guztiez hobeago biziraungo

dute ingurugiroa gehiago zainduz.

Bukatzeko honelako sistemak oso gutxitan erabili izan den teknologia berri

bezala kontsideratu egiten da eta honek hurrengo urteetan eragina handia izan dezake

gizartean.

14

7. ALTERNATIBA ANALISIA

7.1- ORC zikloen konfigurazio ezberdinak

Hurrengo irudian ikusi daiteke ORC-ari eman ahal dizkiogun konfigurazio

ezberdinak bero berrerabiltzeko. Irudian ORC-ak daukan eskema eta honek sortzen

duen diagrama termodinamikoa tenperatura eta entropiaren arabera.

Irudia 1: ORC zikloen konfigurazio ezberdinak

a) ORC sinplea:

ORC sinplea rankine Ziklo guztieetatik sinpleena da eta honen arrazoia behar

dituen elementuetan datza, izan ere, elementu gutxi behar ditu. Likido

azpihoztua ponpatu egiten da likido organikoa lurrungailuaren presiora igoz.

Behin presio honetan gaudela lurrungailuan sartu egiten da eta bertan likidoa

berotu egiten da motorraren beroa erabiliz, kasu honetan motorraren ur beroa.

Behin lurrun gainberotu bezala atera ondoren turbinera joango da behar den

energia elektrikoa sortuz alternadore baten laguntzaz. Behin turbinatik fluidoa

irtenda kondentsagailuan sartu egingo da, hau hoztuz eta berriro ere

ponpatzeko egoera berdinera bueltatuz.

15

b) ORC leheneratzailea

Ziklo sinplearen oinarri berdinean datza. Lurrungailuaren aurretik bero

trukagailu bat ezarri egin da, errendimendu altuagoa lortuz. Bero trukagailu

honetan lurrungailura sartu egiten den fluidoa berotu egiten da turbinatik

ateratzen den fluidoaren bidez. Horrela, lurrungailuan behar den beroa txikiagoa

izango da.

c) ORC Leheneratzaile bikoitza

ORC mota honek bi leheneratzeileekin lan egiten du eta fluidoa hozteko

kondentsagailu bakarra dauka. Bi leheneratzeile dituenez bi etapetan lan egingo du

errendimendua asko handituz. Hala ere, ziklo honek bere konplexutasun handia

duenez, inbertsio kostu handiagoa izango du.

d) ORC Leheneratzaile birberotzearekin

Behe presioan lan egiten duten sistemek gainberoketa handia lortu dezakete.

Arrazoi hau dela eta, birberoketa ezbedinak egon ahal dira. Bigarren turbinan lortu

egiten diren tenperatura altuak direla eta, leheneratzaile bat sartzea oso

gomendarria gerta daiteke. Horrela, lurrungailura sartzen den fluido organikoa

berotuz, errendimendua handitzen da sistema leheneratzaile batean gertatzen den

moduan. Leheneratzaile bikoitzarekin alderatuz zirkuitu sinpleago bat da. Hala ere,

eskema konplexu bat dauka. Diagramari erreparatuz, ikusi daiteke

leheneratzaileraren nahiko berdina dela. Hala ere, turbinaketa bi etapetan ematen

da, bero trukagailu batekin. Konfigurazio mota honek kostuak handitu egiten ditu

elementuen kopurua handitu egiten delako.

Hautatutako konfigurazioak

ORC ziklo bat lortzeko nahita nahiez elementu hauek izan behar ditugu: Bero

trukagailu bi, bata lurrungailua eta bestea kondentsagailua , ponpaketa elementu

bat eta turbina edo hedatzailea.

Orain arte egin diren ikerketa adierazi egin dute, geroz eta konfigurazio

konplexuagoak egiten baditugu zikloaren errendimendua handitu egiten dira, hala

ere ikusi egin da errendimendu gehitze hori ez dela gomendagarria bero hondakina

erabiltzeko. Ikerketen aburuz, konfigurazio ezberdinak zikloaren errendimendua

handitu beharrean potentziaren errendimendua handitu egiten du. Arrazoi hau dela

eta gomendagarria da potentzi handiko zikloetan erabiltzea, hala ere bero

hondakinen berrerabiltze sistemetan ez dira errentagarriak beraz kostuak

murrizteko asmoz ORC sinplea erabili egingo dugu.

16

Motor termiko baten bero hondakinaren berrerabiltzea dauka helburu lan

honek, horretarako bero hori bi modutara erabili daiteke. Alde batetik, bero

trukagailu bat erabiliz zuzenean beroaren eta fluidoaren artean. Beste batetik, beste

fluido bat erabili behar dugu motorraren beroa eta fluidoaren arteko bitartekari

bezala. Lan honetan, lehengo aukera erabili egingo dugu.

7.2- Hautagai dauden fluidoak

Zikloen konfigurazio ezberdinak fluido ezberdinekin ondo konparatu ahal

izateko lehenik eta behin hauen arteko filtrazio bat egin behar da.

Testuinguruan adierazi egin dugun moduan (1 taulan) hainbat ikerlan egin dira

hainbat fluido organikoekin eta hauetan zenbait ondorio baliagarrietara iritsi egin dira.

Tenperatura kritiko altua duten fluidoak edota irakite puntu altua duten fluidoak, hala

nola silikonazko olioak edo toluenoa oso erabilik dira potentzia handiko zentraletan

non tenperatu altuak daudena (300 ºC inguru). Hozgarriak R134, R1233zd(e), R1234 ,

R122 edo halakoak gomendagarriak dira tenperatura ertain eta txikiko beroekin

(200ºC baino gutxiago). Hauen arteko aukeraketa egiterako orduan, kontuan hartu

behar den lehengo gauzetakoa fluidoak lurrun bezala duen dentsitatea. Geroz eta

dentsitate altuarekin behar den bero trukagailua eta hedatzailea txikiago egin

dezakegu. Nahiz eta aurrekoa kontuan hartu beharreko faktore garrantzitsuena, beste

baldintza batzuk ere kontuan hartu behar dira, hala nola: toxikotasuna, ingurugiroan

eduki dezakeen inpaktua, kostua.

Nahiz eta orain arte hozgarri asko izan ditugun, geroz eta gutxiago gelditzen

dira. Honen arrazoia Montrealen ezarritako protokoloan datza, izan ere hozgarriak

kalte handia eragin diote ingurumenari beraz gradualki ezabatu egin dira aukera

horiek gutxituz.

Gure ORC ondo funtziona dezan aukeratu behar dugun fluidoak honako

baldintza hauek bete behar ditu:

- 200ºC tenperatura kritikoa baino azpitik egon behar da

- Lehen adierazi dugun moduan hozgarriek inpaktu handiegia daukate

ingurugiroan, beraz faktore hau kontuan hartzeko ODP indizea 1

inguruan duten hozgarriak baztertu egingo dira.

- Fluidoa aurretik ORC zikloetan ikertu egin diren zikloak izan behar

dira edo ORC ziklo komertzialak erabiltzen diren fluidoak, hala nola

R-134 fluidoa.

- Lehentasuna emango zaio lurrun dentsitate handia duten fluidoei.

17

Esan beharra dago gaur egun erabili egin den fluidorik oikoena R-134 izan

dela, hala ere fluido hau pixkanaka desagertzen dabil ODP gutxiago duten

fluidoengatik. Orregatik lana honetan fluido hori kontuan ez hartzea erabaki egin da.

Orain arte azaldu egin ditugun motibo guztiengatik behean agertzen den

fluidoak kontuak hartu egingo gure ORC zikloa diseinatzerako orduan.

R245 fa

R1233zd (e)

R133a

18

8.-KALKULU ETA ERANTZUNAK

Azpian agertzen den taularen balioak EES programak eta beste iturri batzuk

[40] ematen dizgunak dira. Hala ere, esan beharra dago GWP (Global-warning

potential) 100 urterako balioa duela.

Pcrit (bar)

Tcrit[C]

Fazentri[C]

GWP

100

ODP Tsukoia[C]

R134a 40,59 101 0,3269 1430 0 770

R245fa 36,51 154 0,379 950 0 412

R1233zd[e] 35,73 165,6 0,3053 6 0 380 Taula 2: Ikerketarako erabili diren fluido ezberdinen propietateak [40]

8.1.-ORC SISTEMAREN EMAITZAK

Arazoaren erabakian azaldu duen moduan lurrungailuaren presioa (eta asetasun

egokiko bere tenperatura) iteratuz jarriko da. Iteratzeko orduan hurrengo balditzak

bete beharko dira:

Presio handienak ezingo du fluidoaren presio kritikoa gailendu.

Presio txikienak kondentsaziokoa baino handiagoa izan behar du.

Landuko da lurrungailuko Pinch-Point-a beti 5ºC-etako balio

mantentzen duten presioetako mailan.

Presioak aukeratzerako orduan zikloaren % 100 baino handiagoko

balioak edo balio negatiboak ematen duten errendimenduak ez dira

kontuan hartuko, zikloaren balio irrealak direlako

I eranskinean eransten dira fluido bakoitzerako, lurrungailuaren

tenperaturarekiko errendimenduaren aldaketa erakusten duten grafiko bezala. Horrela,

oinarrizko zikloetarako fluido ezberdinen konparaketa egin dezakegu bai

errendimendu handiena ematen digun punturako bai beste puntu ezberdinetako.

Hurrengo taulek, 8 eta 9, erakusten dute fluido bakoitzaren errendimendua

maximizatzen duen presiorako lortutako balioak. 8 eta 9 irudietan erakusten dira

batera ziklo guztien errendimendu bihurguneak, baita bere balioztapen on bakoitzeko

zoom bat.

19

Basic ORC

Pevap [bar] Tevap,sat [C] Pcond [bar] Tcond,sat [C] ϑexp,in

[m3/Kg]

ϑexp,out

[m3/Kg] ΔTPP,cond [C] ΔTPP,evap [C] Xexp,out [-] ηcycle [-] ηcycle [%]

R134a 26,63 79,39 6,658 25 0,006743 0,03115 5 5,22 100 0,097 9,70%

R245fa 8,075 80,83 1,478 25 0,02262 0,127 5 4,88 100 0,1043 10,43%

R1233zd[e] 6,625 80,3 1,296 25 0,0291 0,1493 5 5,41 100 0,1051 10,51%

Taula 3: Errendimendu maximoan lortzen diren balioak

8,60%8,80%9,00%9,20%9,40%9,60%9,80%

10,00%10,20%10,40%10,60%10,80%

70 75 80E

RR

EN

DIM

EN

DU

AK

Lurrungailuaren tenperatua (ºC)

ORC BASIC ERRENDIMENDUAK

R1233zd(e)

R134a

R245fa

Irudia 2: Fluido ezberdinen errendimenduak lurrungailuaren tenperaturarekiko

20

Grafikoan ondo ikusten den moduan fluido bakoitzean linealtasun bat

gorde egiten da errendimendu eta lurrungailuko tenperaturaren artean.

Iterazioak egiterako orduan ( lurrungailuko presio egokia lortzeko)

lurrungailuko tenperatura mugatzailerik handiena da. Pinch Pointa ezin

da 5ºC pasa. Grafikoan nabaritzen den moduan geroz eta tenperatura

altuagoekin errendimendua handitu egiten da, honen zergatia

lurrungailuko Pinch Point-aren balioko marjina handiagoa dela da, bero

gehiago transmitituz.

Oinarrizko zikloan R1233zd(E)-a aukera hobe bezala nabarmentzen da

%10, bigarren errendimendu handiena eman diguna R124fa (%10.4 ko

errendimenduarekin) eta R134a fluidoa jorratuko dira.

Aldi berean ikusi egin da R1233zd(E) fluidoarekin presio txikiagoetan

lan egiten dela 6.025 bar-etan, beraz segurtasun aldetik onura

ikaragarria aurkezten du. Presio txikiagoetan arazo bat gertatzerakoan,

honek lehertzearen aukerak edo min handiago bat egitearen aukerak

jaitsi daitezkeelako.

8.2.-BERO TRUKAGAILUAREN EMAITZAK

Aldi berean ikusi egin da R1233zd(E) fluidoarekin presio txikiagoetan lan

egiten dela 6.025 bar-etan, beraz segurtasun aldetik onura ikaragarria aurkezten du.

Presio txikiagoetan arazo bat gertatzerakoan, honek lehertzearen aukerak edo min

handiago bat egitearen aukerak jaitsi daitezkeelako.

Irudia 3: Abiaduraren aldaketa hodi kopuruagatik

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 50 100 150

Ab

iad

ue

a (

m/

s)

Hodi kopurua

Abiadura

Abiadura

21

Irudia 4:Bero trukagailuaren luzeera hodi ezberdinekin

Irudia 5:Luzera eta U-ren arteko konparaketa

Lehengo grafikoan abiadura aurkezten zaigu. Abiadura hodi barruan

doan ur beroarena da eta honek 2,5 eta 1 [m/s] artean egon behar da

0

2

4

6

8

10

12

14

0 20 40 60 80 100 120Be

ro t

ruk

ag

ail

ua

ren

lu

zera

(m

)

Hodi kopurua

Luzera

Luzeera

520

530

540

550

560

570

580

0 5 10 15

U [

w7

(m^

^*K

)]

Luzera (m)

U bero transmizio koefizientea

U bero transmizioa

22

saturazio zein kabitazioa gerta ez dadin. 40 eta 100 hodien artean

gertatzen da hori.

Luzeraren grafikoan ikusi daiteke hodi kopurua handitu ahala bero

trukagailuaren luzera txikitzen da. Honen zergatia LMTD metodoan

dauka zerikusia. Geroz eta hodi kopuru gehiago baditugu, bero

trukagailuaren azalera handitu egingo da diametro handiagoa behar

dugulako, baina honek U bero transmisioan eragina izango du, hau

txikituz. Lehendik dakigu fluido organiko eta uraren arteko U 500 eta

2000 [W/(m2*K)] da eta beraz hodi kopurua hori handitzerako orduan

U bi balio horien artean mantendu egin behar da abiadura muga apurtu

gabe.

8.3.- T-S ETA P-H DIAGRAMAK. PROPIETATEEN TAULAK

I eranskinean fluido ezberdinen taulak agertu egiten dira. Taula hauek ziklo

sinplean aurkitu ditzakegun puntu ezberdinen propietate termodinamiko ezberdinak

agertzen dizkigute. Puntu hauek errendimendu maximoko puntuari dagozkio, hau da,

3 irudian ikusi ahal den lurrungailuaren presio zein tenperatura ezberdinei non lan

egoera izango den, gure ORC sistema potentzia gehien emateko.

II eranskinean fluido ezberdinak ORC sinple batean daukan P-h zein T-s

diagramak aurkitu daitezke. Esan beharra dago diagrametan aurkezten diren marrak

ez direla fluidoak egiten duen ibilbidea ezta fluidoak aurkezten duen egoera

termodinamikoa, elkar ondoko bi puntu ezberdinen arteko loturak baizik. Fluidoak

egitean duen ibilbide erreala jakiteko metodologia sailaren hasieran aurkezten den

irudira joan behar gara (3 irudia).

23

9.-METODOLOGIA

9.1-ORC KONFIGURAZIO SINPLEA

9.1.1-ARIKETAREN DESKRIBAPENA

Irudia 6: ORC konfigurazio sinplearen eskema

Laburdura Esanahia Balioa Pevap Lurrungailuaren saturazio presioa iteratuz [bar]

µiso;exp Hedatzailearen errendimendu isoentropikoa 0,8 µiso;pump Ponparen errendimendu isoentropikoa 0,8

ΔT Ur beroaren eta hozgarriaren arteko tenperatura aldaketa 5 ºC

ΔTsub Hozgarriaren azpi-hozketa 2 ºC ΔTPP;cond Pinch Pointaren tenperatura 5 ºC

PW Itsasoko uraren presioa 1 [bar] TSW;in Itsasoko uraren tenperatura sarreran 18 ºC PJCW Ur beroaren presioa 3.5 [bar]

TJCW;in Ur beroaren tenperatura sarreran 85 ºC Qemaria Ur beroaren emaria 40m^3*h-1

QJCW Ur beroaren bero kantitate erabilgarria 215.28 KW

Taula 4:Hasierako datuak

24

irudia 7:Hasierako datuak

Aurreko hiru irudietan ORC sistema sinpleak daukan konfigurazioa eta

elementuak azaldu egin dira. Aldi berean T-s diagraman zikloak jarraitu egiten duen

bidea adierazten du eta azkenik problemaren ebazpenarekin hasteko, ditugun datuak

eta haurtutako suposizioak azaldu egiten dira:

Sistemak jarraitzen dituen pausuak azaldu egingo dira hurrengo esaldietan:

5-8 hozgarriaren berotzea dator. Hau lortzeko motorretik irteten den ur

beroa erabili egingo da. Kontuan hartu egin behar da bien arteko

punturik hurbilena Pinch Point deitzen dela eta 5ºC tenperatura

diferentzia egon behar da beraien artean.

8-10 Hozgarriaren hedatzea errendimendu isoentropikoa kontuan

hartuz, elektrizitatea lortzeko asmoz.

10-14 hozgarriaren hoztea eragin da kondentsagailuan. Horretarako

itsasoko ur hotza kontuan hartu egingo da. Lurrungailuan gertatzen

den moduan Pinch Pointa kontuan hartu behar da.

14-5 ponpa berriro ere hozgarria presio egokira igoz.

Ur beroa

ΔTPP;LURRN

Itsasoko ura

ΔTPP;cond

25

9.1.2- EBAZPENA

Ebazpena lortzeko EES programan n ekuazio eta beraz n ezezagun behar

ditugu. Era honetan aurretik ikusi daitekeen T-s diagrama ebatzi dezakegu.

Horretarako fluidoen propietate termodinamikoak erabiliko dira.

Ur Beroa

Ur beroaren sarrera eta honek daraman emaria jakinda lortu dezakegu

irteerako uraren tenperatura. Horretarako bero espezifikoa dentsitatea eta ur

berotik lortu daitekeen beroa erabili egingo dugu, TJCW;out eta mw lortzeko.

Behin hau lortuta berora jo dezakegu TJCW;out lortuz.

Kondentsagailuko likido asea P12

Kondentsagailuko irteera likido azpihoztu bezala P13

Ponparen irteera isoentropikoa P14

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(9)

(10)

(9)

26

Ponparen irteera erreala P5

Lurrungailuaren likido asea P6

Lurrungailuaren lurrun asea P7

Lurrungailuaren irteera P8

Hedatzailearen irteera isoentropikoa P9

Hedatzaileraren irteera erreala P10

Kondentsagailuko lurrun asea P11

LURRUNGAILUA Lurrungailutik lortu dezakegu ORC sistematik garraiatu behar den

hozgarriaren emari masikoa. Hau lortzeko energia balantzea bat egingo da energia zinetiko zein potentziala arbudiatuz.

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

27

Lurrungailuaren eta kondentsagailuaren Pinch Point-a Bi bero trukagailuetan balio hau definituta egongo da eta hauen arteko

diferentzia 5ºC izango da. Lurrungailuan 3 eta 6 puntuen artean emango da eta kondentsagailuan ordea 12 eta 16 puntuen arte.

Zikloaren errendimendu energetikoa

Hedatzailearen lan netoa

Ponpak behar duen lan netoa

Zikloaren lan neto totala.

Aurretik adierazi den bezala problema guztia EES programa informatikoarekin ebatzi daiteke. Honen kodigoa IV eranskinean hutsi egingo dugu, hala ere balio ezberdinak lortu ahal izateko eta hozgarri ezberdinak erabiltzeko hurrengo bi ekuazio aldatu behar dira:

Fluidoaren ekuazioa hozgarria aldatu behar da eta bestean fluido horren presioa iteratuz lortzen dena.

9.2- BERO TRUKAGAILUAREN DIMENTSIONAMENDUA

Proiektu honetan lurrungailuaren eta kondentsagailuaren diseinuakgarrantzitsuak izango dira izan ere gehien kostatzen diren elementuak hauexek direlako. Beraz hauen dimentsionamendua egiteko, ez dira soilik aspektu termodinamikoak kontuan hartuko, hauek izan ditzaketen kostua eta ingurugiroan eragina izan dezaketen faktoreak ere kontuan hartuko dira. Normalean hauen kostua gehien bat beraien dimentsioarekin garrantzia handiago dute.

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

28

9.2.1-LTMD METODOA

LTMD metodoa tenperatura diferentzia logaritmikoan oinarritzen da eta kasu

askotan gertatzen den moduan prozesu iteratibo bat da. Iterazioetan hodi kopurua

aldatu egiten dira eta horren ondorioz fluidoaren abiadura ere, beraz kontuan hartu

beharreko faktoreak dira azkeneko emaitza lortzeko.

Gure proiektuan, gauzak errazteko mantentzea egiterako orduan,hodi eta

karkasa bero trukagailua erabiliko dugu bafflekin eta hodi kopuru ezberdinekin.

Irudia 8:U-tube motako bero trukagailua (heat exchenger)

Hauek izango dira hasierako datuak:

Parametroa Esanahia Balioa

Umin Umax Bero koefizientea 500 [W/m2-C] 2000 [W/m2-C]

N Hodi Kopurua (Iteratuz) [-] iteratuz

L Luzera ( iteratuz aldatzen da)

4 [m]

Dout Kanpoko hodiaren diametroa

0,014 [m]

e Hodiaren lodiera 0.002 [m] Taula 5:Dimentsionamendua lortzeko hasierako balioak

29

LTDM metodoarekin bero trukagailuaren dimentsionamendua lortzeko

hurrengo pausuak jarraitu behar dira:

Ur beroa hodi barruetatik doa beraz ez dauka inolako arazorik honen

balioa lortzea, baina hozgarriak ordez hodi kanpoetatik doa, beraz

honen abiadura lortzeko hainbat formula zein pausu jarraitu behar dira.

Pitch-a, hau da bi hodi ezberdinen arteko distantzia

𝑃𝑖𝑡𝑐ℎ = 1.25 ∗ 𝐷𝑜𝑢𝑡

Bero trukagailuak soilik hodiekin izango lukeen diametroa

𝐷𝑏𝑜𝑢𝑛𝑑𝑒𝑟 = 𝐷𝑜𝑢𝑡 ∗ (𝑁

𝑘1)(

1𝑛1

)

Non n1 eta k1 hurrengo tauletatik lortu behar ditugu:

Pitch hirukia = 1,25* D_out

Bira kourua 1 2 4 6 8

K1 0,319 0,249 0,175 0,0743 0,0365

n1 2,142 2,207 2,285 2,499 2,675 Taula 6: Hiruki forman jarritako hodien parametroak

Lauki moduan ezarritako pitch = 1,25* D_out

Bira kourua 1 2 4 6 8

K1 0,215 0,156 0,158 0,0402 0,0331

n1 2,207 2,291 2,263 2,617 2,643 Taula 7: Lauki moduan jarritako hodien parametroak

Karkasaren Diametro guztia lortzeko

𝐷𝑠 = 𝐷𝑏𝑜𝑢𝑛𝑑𝑒𝑟 ∗ 𝐷𝐵𝑆

Non DBS hurrengo grafikoetatik lortu egin behar den. Gure kasuan

U-Tube motako bero trukagailua daukagu:

(33)

(34)

(35)

30

Irudia 9:BDS lortzeko grafikoak

Baffeen distantzia kalkulatu behar dugu:

𝐵𝑠 = 𝐷𝑠 ∗ 0.4

Reynolds zenbakia eta abiadura lortzeko hodien artean diametro

baliokide bat behar dugu eta hau lortzeko hurrengo formula erabili

behar dugu:

𝐷𝑒𝑞𝑢𝑖 = (4∗(

𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ2−𝐷𝑜𝑢𝑡2∗𝜋

4)

𝜋∗𝐷𝑜𝑢𝑡) hodiak launaka (square) jartzen ditugunean

𝐷𝑒𝑞𝑢𝑖 = (4∗(

𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ

2∗0.87∗𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ−

𝜋∗𝐷𝑜𝑢𝑡2

8)

𝜋∗𝐷𝑜𝑢𝑡2

) hodiak hiruki moduan jartzen direnean

Hodien artean hozgarrian perpendikularki mugitu egingo da baffeen

laguntzagatik. Horregatik beharrezkoa da diametro baliokide bat

lortzea hodien artean eta aldi berean hozgarria igaroko duen azalera bat.

Azalera hori honela kalkulatzen da:

𝐴𝑠 =(𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ − 𝐷𝑜𝑢𝑡) ∗ 𝐷𝑠 ∗ 𝐵𝑠

𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ

Abiadura lortzeko, fluidoak hodiak perpendikularki (cross) igarotzen

dutela adierazi dugu hurrengo irudian ikusi daitekeen moduan:

(37)

(36)

(38)

(39)

31

Irudia 10: Hozgarriak eta Urak jarraitutako ibilbidea bero trukagailuaren barruan (introduction to heat exchanger)

𝑣𝑟𝑒𝑓 =𝑚𝑟𝑒𝑓̇

𝐴𝑠 ∗ 𝜌

Bero trukagailua 3 zonaldetan banandu egingo da, likidoa, likido-lurrun

egoera eta azkenik lurrun egoera. Fase bakoitzaren bero koefiziente

globala U kalkulatu egingo da eta horretarako hurrengo formula erabili

egingo da non bero koefizientea seriean dauden erresistentzia termikoak

kontsideratu ahal ditugu:

Ur beroaren kasuan denbora osoa fase likidoa denez hurrengo formula

erabili egingo dugu h lortzeko:

Non C, m eta n balioak fluidoaren erregimena eta paretaren aurkako

frikzioa eragiten duen.

Hozgarriaren kasuan bai likido egoeran zein lurrun egoeran hurrengo

formulen bitartez lortu dezakegu erresistentzia termikoa.

𝑁𝑢𝑠 = (𝑓

8∗𝑅𝑒∗𝑃𝑟

12.7(𝑓

8)

0.5∗(𝑃𝑟

23−1)+1.07

) ∗ (𝜇

𝜇𝑤𝑎𝑙𝑙) ∗ (

𝑘

𝑘𝑤𝑎𝑙𝑙)

(40)

(41)

(42)

(43)

32

Non f hormaren aurkako frikzioa den eta Petukov formularekin lortu

dezakegu, aldi berean k eta 𝜇 wall hormaren tenperaturarekin lortzen da

gure kasuan urarena. [42] (erreferentzian)

𝑓 = (0.79 ∗ ln 𝑅𝑒 − 1.64)−2

Fase aldaketa gertatzen denean eta gure tenperatura diferentzia ez

denez 30ºC-tik pasatzen q-nucleate bero transmisioa erabiliko dugu h

lortzeko:

�̇� = 𝜇 ∗ ℎ𝑓𝑔 ∗ (𝑔 ∗ (𝜌𝑙 − 𝜌𝑣)

𝜎)0.5 ∗ (

𝐶𝑝𝑙 ∗ (𝑇𝑠 − 𝑇𝑠𝑎𝑡)

𝐶𝑠𝑓 ∗ ℎ𝑓𝑔 ∗ 𝑃𝑟𝑛)3

Non Csf eta n kontaktuan dauden fluido zein materialaren arteko

koefiziente bat eta 𝜎 gainazalaren tentsioa fluidoa lurrun egoeran

dagoenean.

LTMD metodoa erabiltzen dugunez hodiak hainbat aldiz igaro dezakete

bero trukagailuak zein baffle kopurua. Horregatik F zuzentzailea

erabiltzen da bira kopuru hori kontuan hartzeko. F zenbaki hori EES

programak ebatzi egiten digu hala ere eskuz ere ebatzi daiteke hainbat

grafiko zein ekuazio ebatziz.

Irudia 11: Bira bakarreko grafikoa

(44)

(45)

33

Irudia 12: Bira bikoitza edo gehiagoko grafikoa

Hala ere bai grafikoak erabiltzen baditugu bai EES programa

informatikoa erabiltzen badugu S eta R grafikoetan edo P eta R EES

deitzen diren parametroak lortu behar ditugu.

Hauek honela lortzen dira:

𝑆, 𝑃 = 𝑡2−𝑡1

𝑇2−𝑡1

𝑅 =𝑇1 − 𝑇2

𝑡2 − 𝑡1

Non T1= ur beroaren sarrera, T2= ur beroaren irteera t1=

hozgarriaren sarrera t2=hozgarriaren irteera

Gero zonalde bakoitzaren azalera kalkulatu egingo da LMTD metodoa

erabiliz eta horretarako hurrengo formula erabili egingo da:

𝑄 = 𝑈 ∗ 𝐴 ∗ 𝐹 ∗ ∆𝑇𝐿𝑀

Behin azalera totala daukagunean, luzera kalkulatzera ekingo diogu:

𝐿 =𝐴

(𝜋 ∗ 𝑁 ∗ 𝐷𝑘𝑎𝑛𝑝𝑜)

Abiadura kalkulatu behar dugu. Uraren abiadura hodi kopuruekin

txikitzen da eta honek 2,5 eta 1 m/s tartean egon behar da:

𝑣 =�̇�

𝑁 ∗(𝐷𝑘𝑎𝑛𝑝𝑜

2 ∗ 𝜋)4

Bukatzeko kalkulatu egin dugun U ez badu hasierakoarekin bat etortzen

N balioa aldatu dezakegu L luzera txikituz baina beti ere uraren

abiadura behar ditugun mugetan mantenduz.

(47)

(48)

(49)

(50)

(51)

34

Prozesu iteratiboaren diagrama:

DFF

Hasierako Datuak:

Uestimatua

Dkanpokoa

Lodiera

N hodi kopurua eta abiadurak lortu emari

masikoak erabiliz

N, vhozgarria vwater

Atotala lortu aurreko azalerak gehituz eta (60)

ekuazioa lortuz Ulurrun

Egoera Ezberdinen Azalera lortu (54) ekuazioa

erabiliz:

A1 A2 A3

N eta Luzera lortu

Vwater 1 eta 2.5 m/s tartean

L luzeera egokia

Bero trukagailua bukatuta Bai

N balioa aldatu Ez

35

10.-GANTT-en DIAGRAMA

Taula 8:Gantt-en diagrma

36

Taula 9:Proiektuan lan egiten duten baliabideak

37

10.1- GANTT DIAGRAMAREN AZALPENA

Proiektu hau aurrera eramateko Joseba Lahidalga Gantt diagraman aurkezten

diren ataza guztietan parte hartu egin du. Zigor Uriondo proiektu honen zuzendaria

dena, 4 taulan agertzen den moduan, zeregin asko izan ditu 4,6 eta 7 atazetan.

10.1.1- INFORMAZIO BILAKETA:

Ataza honetan aurretik egindako ikerketei buruzko informazioa bilatzean datza.

Era honetan, proiektu honen helburua, onurak eta irismena ulertu eta bideratu daiteke.

Aldi berean lehen ataza denez proiektuaren hasiera adierazten du.

10.1.2- KONFIGURAZIO EZBERDINEN IKERKETA:

Ikerketa egin ondoren ORC sistemak izan ditzakeen konfigurazio zein fluido

ezberdinak aurkeztu dira, ahalik eta aukeraketa zehatzena egiteko.

10.1.3- PROGRAMAREN IKASKETA:

EES programaren ikasketa, horrela ORC zikloa diseinatzen gauden bitartean

denbora galdu ez dezagun.

10.1.4- EMAITZEN LORPENA:

Zikloaren taula, diagramak eta emaitzak lortzean datza aurretik aukeratu

dugun fluidoak zein konfigurazioa kontuan hartuz.

10.1.5- MEMORIA IDAZTEA:

Behin aurretik dauden ataza guztiak bukatu egin direnean, aurrean dagoen

testua idatzi egingo da.

10.1.6- MEMORIAREN ZUZENKETA:

Hurrengo zeregin hau behin memoria guztia idatzita dagoenen egiten da eta

honen zuzenketa sakon batean datza, bai emaitzekin baita ortografia arazoekin.

10.1.7- AZKENEKO ZUZENKETA ETA LANA ENTREGATZEA:

Behin zuzenketa sakona egin denean, azkeneko begirada bata arazo larriren bat

aurkitzeko asmoz eta hau bukatu denean proiektua entregatu.

38

11.-ASPEKTU EKONOMIKOAK: AURREKONTUA

BARNE ORDUAK KOPURUA LAN ORDUAK (h) ORDU TASA (€/h) GUZTIRA (€)

Proiektuaren zuzendaria 1 50 35 1.750,00 €

Ingenieritzako ikaslea 1 500 25 12.500,00 €

14.250,00 €

AMORTIZAZIOA KOSTUA BIZITZA ERABILGARRIA (h) ERABILITAKO DENBORA(h) GUZTIRA

EES programa 1.200 € 8760 10 h 1,37 €

ASUS ordenagailua 1.000 € 87600 500 h 5,71 €

7,08 €

KOSTU EZ-ZUZENAK

GUZTIRA

KOSTU EZ-ZUZENAK 5% 712,85 €

GUZTIRA

14.969,93 €

FINANTZIA KOSTUAK

GUZTIRA

FINANTZIA KOSTUAK 3% 449,10 €

GUZTIRA

15.419,03 €

GUZTIRA

AURREKONTUA 15.419,03 € Taula 10:Aurrekontua

39

12.-ARRISKU ANALISIA

Gaur egungo edozein proiektu aurrera eraman ahal izateko, bertan parte

hartzen duten elementu zein prozesuen arrisku analisia egin behar da.

Honelako proiektu bat daukagunean, non honen helburua sistema bati soluzio

bat edo hainbat soluzio ematea duen helburu, baina kalkuluak egiterako orduan

hainbat sinplifikazio hartzen dira kontuan, edo hainbat arazo sor daitezke hau egiten

denean. Horregatik atal honetan arazo zein arrisku posible horiek identifikatzea du

helburu eta erantzunaren izan ahal dituen gogaberak justifikatzea.

Lan honek dituen arazoak hiru mailetan banatuko ditugu, arazoak horiek

sisteman izan dezaketen inpaktuagatik.

12.1- HASIERAKO DATUEKIN SORTZEN DIREN ARAZOAK

Kalkuluak egiterako orduan, hasierako datu batzuk kontuan hartu egin dira.

Datu hauek ez daukate eragin handia emaitzan, ahala ere kontuan hartu behar diren

arriskuak dira.

Lan honetan, zikloa berotzeko motorretik irteten diren ur beroak

erabiliko dira. Ur emaria, honen tenperatura eta eman dezakeen beroa

konstante bezala hartu egin dira eta errealitatean hori horrela ez dela

badakigu. Lana egiterako orduan motorrak %75 lan egoeran dagoela

adierazi dugu hasierako datuak hartu ditugunean. Honen zergatia

motorrak zen lan egoeretan igarotzen duen orduen kopuruan

ondorioztatu dugu. Martxa egoeran eta abiarazte momentuan ordu

gehien pasatuko ditu eta honen batez bestekoa motorraren %75 karga

egoera da.

Itsasoko uraren tenperatura ere konstante bezala hartu egin dugu.

Errealitateen ez da hori gertatzen eta honek eragina izango du fluidoa

kondentsagailutik irteten den egoera.

Elementuen errendimendu isoentropikoa, merkatuan dauden beste

elementuen antzekoa hartu ditugu nahiz eta errealitatean hauen balioak

aldatu ahal diren.

12.2- DIMENTSIONAMENDURAKO HARTU EGIN DIREN

HIPOTESIEN ARRISKUAK

Zikloak diseinatzerako orduan era termodinamiko batean ebatzi egin da eta hau

lortzeko EES programa informatikoa erabili egin da. Programa honen bitartez

40

propietate termodinamikoen balio total guztia lortzen dira, eta honen bitartez aurretik

esandako erroreak gutxitu daitezke.

Bero trukagailuen diseinurako, LMTD modu iteratiboa erabili egin da. Modu

hau, esperientzian oinarritzen da eta ez matematikatik lortutako balioz, beraz suposizio

hau eginez, bero trukagailuan errore bat izango dugu. Aurretik esan dugun bezala

EES programa erabiliz errore hau txikia izango da eta ez du eragin handitik edukiko.

Gainera, esan beharra dago arazo hauek jakitea, hauen murriztapenak eragin

ahal dituela.

12.3-ERABILI EGITEN DIREN ELEMENTUEN ARRISKUAK

Zikloan erabiltzen diren elementuak, batzuk diseinatu egin dira. Hala ere

elementu hauek arriskuak daukate eta arazoak eman ahal dute denbora laburrean edo

denbora pasa ahala. Sistemaren erantzuna lortzeko elementuak perfektuak bezala

kontsideratu ditugu eta errealitatean gauzak horrela ez direla badakigu. Ponpak

fluidoa ezarri dugun puntu-arte ez eramatea edota turbina urteak pasa ahala higadura

agertzea. Arazo hauek ORC-aren errendimendua jaitsi dezakete.

12.4- ARRISKU MATRIZEA

Taula 11:Arrisku matrizea

41

13.-ONDORIOAK

Bai lan-fluidoaren bai ziklo-konfigurazio egokia aukeratzerako orduan gai

garrantzitsuak dira ORC-a edozein zikloren diseinu prozesuan. Ikusi ahal izan da bai

aplikazio-eremuarekin eta lan-egoerekin bai ezarritako aukearaketa-irizpideekin

mendekotasun handia sortzen dutela ORC sistema lortzerako orduan.

Ikerketa honi bukaera emateko, gogobeteko bat bezala amai dezake, izan ere

hasieran ezarritako helburuak bete dira eta bertan agertu diren arazoei aurre egin zaie

eta erabakiak hartzerako orduan, bai ikuspuntu termodinamikoak, bai ikuspuntu

ekonomiko zein ingurumenarenak kontuan hartuz dira emaitza lortzeko. .

Lortutako emaitzetatik hurrengo ondorioak da lurrungailuan presio puntu bat

dagoela non sistema osoaren errendimendua handitzen duena. Puntu honi Pinch

Point-a deritzo eta honek sistemaren mugatzailerik handiena da. Puntu honen

hobekuntza sistemaren errendimendua handituko luke eta horretarako aukera handia

daukagu.

Aurretik adierazi dugun bezala, rankine ziklo batzuk errendimendua

handitu egiten dute baina gure kasuan potentzia lortu nahi dugu, eta

horretarako ORC sinplea aukerarik hoberena da sinpletasuna eta kostu

aldetik errazagoa baita.

Emaitzen atalean ikusi daitekeen moduan R1233zd (e) fluidoa da

errendimendu handiena ematen diguna eta beraz fluido hau erabili

egingo da, aurretik aipatutako beste faktoreak ere betetzen dituelako.

Fluidoak aukeratzerako orduan, ingurunean izan dezaketen inpaktua

ikertu egin da eta ikertze lan honetatik atera egin ahal diren ondorioak

ontzat eman ahal ditugu. Fluidoek ez dituzte inolako arrazoi baztergarririk

betetzen, hau da ez daukate auto-sutzeko ahalmenik, ez dute ez GWP ezta

ODP-ak gainditzen eta ez tenperatura kritikoa gainditzen.

Gure proiektuan hodi edo karkasa bero trukagailu bat erabili dugu

mantentzea errazagoak direlako. Hala ere, bero-trukagailu mota

hauetako bat erabiltzea lortzen da, abiadura margena apurtu luzeegia

den bero trukagailu bat diseinatuz (eranskinean ikusi daitekeen

moduan). Horregatik ondorioztatu daiteke, xafla eta bastidore bezalako

bero trukagailu bat erabiltzean beti ere ur-beroari aurretratamendu bat

egiten bazaio.

42

14.-BIBLIOGRAFIA

[1] S.A. Klein, "Engineering Equation Solver. F-Chart Software", Middleton, WI, 2010.

[2] J.F. Wang, Y.P. Dai, et al., "Exergy analyses and parametric optimizations for different cogeneration power plants in cement industry", Applied Energy 86 (6) (2009) 941e948.

[3] T.C. Hung, T.Y. Shai, S.K. Wang, "A review of Organic Rankine Cycles (ORCs) for the recovery of low-grade waste heat", Energy 22 (1997) 661e667.

[4] O. Badr, P.W. Ocallaghan, et al., "Rankine-Cycle systems for Harnessing power from low-grade energy-Sources", Applied Energy 36 (1990) 263-292.

[5] W. Gu, Y. Weng, Y. Wang, B. Zheng, "Theoretical and experimental investigation of an Organic Rankine Cycle for a waste heat recovery system", Part A: Journal of Power and Energy 223 (2009) 523-533 Proc. IMechE.

[6] Y.P. Dai, J.F. Wang, et al., "Parametric optimization and comparative study of Organic Rankine Cycle (ORC) for low grade waste heat recovery", Energy Conversion and Management 50 (2009) 576-582.

[7] J. Larjola, "Electricity from industrial waste heat using high-speed Organic Rankine Cycle (ORC)", International Journal of Production Economics 41 (2009).

[8] Z. Gnutek, A. Bryszewska-Mazurek, "The thermodynamic analysis of multicycle ORC engine", Energy 26 (2001) 1075-1082.”

[9] Y. Chen, P. Lundqvist, et al., "A comparative study of the carbon dioxide transcritical power cycle compared with an Organic Rankine Cycle with R123 as working fluid in waste heat recovery", Applied Thermal Engineering 26 (2006).

[10] R. Zanelli, D. Favrat, "Experimental investigation of a hermetic scroll expandergenerator, in: Proceedings of the International Compressor Engineering Conference at Purdue", 1994, pp. 459-464.

[11] D. Manolakos, G. Papadakis, S. Kyritsis, K. Bouzianas, "Experimental evaluation of an autonomous low-temperature solar Rankine cycle system for reverse osmosis desalination", Desalination 203 (2007) 366-374.

[12] B. Aoun, D. Clodic, "Theoretical and experimental study of an oil-free scroll type vapor expander, in: Proceedings of Nineteenth International Compressor Engineering Conference at Purdue", 2008, paper 1188.

43

[13] V. Lemort, S. Quoilin, C. Cuevas, J. Lebrun, "Testing and modeling a scroll expander integrated into an Organic Rankine Cycle", Applied Thermal Engineering 29 (2009) 3094-3102.”

[14] T. Yanagisawa, Y.Fukuta, T. Ogi, T. Hikichi, "Performance of an oil-free scrolltype air expander, in: Proceedings Of the ImechE Conference Transactions On Compressors and Their Systems", 2001, pp. 167-174.

[15] El.H. Kane, "Integration et optimisation thermoéconomique & environomique de centrales thermiques solaires hybrides", PhD thesis, Laboratoire d’Energétique Industrielle, Ecole polytechnique Fédérale de Lausanne, 2002.

[16] I.K. Smith, N. Stosic, A. Kovacevic, "Steam as the working fluid for power recovery from exhaust gases by the use of screw expanders, in: Proceedings of The International Conference on Compressors and their Systems", London, 2009.

[17] T.C. Hung, "Waste heat recovery of Organic Rankine Cycle using dry fluids", Energy Conversion and Management 42 (2001) 539-553.

[18] S. Quoilin, V. Lemort, "Technological and Economical Survey Of Organic Rankine Cycle systems, in: Fifth European Conference on Economics and Management of Energy in Industry", Vilamoura, Portugal, 2009.

[19] V. Maizza, A. Maizza, "Unconventional working fluids in organic Rankinecycles for waste energy recovery systems", Applied Thermal Engineering 21 (2001) 381- 390.

[20] U. Drescher, D. Bruggemann, "Fluid selection for the Organic Rankine Cycle (ORC) in biomass power and heat plants", Applied Thermal Engineering 27 (2007).

[21] V. Lemort, C. Cuevas, J. Lebrun, I.V. Teodorese, "Contribution à l’étude des cycles de Rankine de récupération de chaleur, VIIIème Colloque Interuniversitaire Franco-Québécois sur la Thermique des Systèmes", Montréal, Canada, 2007.

[22] P.J. Mago, L.M. Chamra, K. Srinivasan, C. Somayaji, "An examination of regenerative Organic Rankine Cycles using dry fluids", Applied Thermal Engineering 28 (2008) 998-1007.

[23] J. Facão, A. Palmero-Marrero, A.C. Oliveira, "Analysis of a solar assisted microcogeneration ORC system", International Journal of Low Carbon Technologies 3/4 (2009).

[24] N.B. Desai, S. Bandyopadhyay, "Process integration of Organic Rankine Cycle", Energy 34 (2009) 1674-1686.

44

[25] I.H. Aljundi, "Effect of dry hydrocarbons and critical point temperature on the efficiencies of Organic Rankine Cycle", Renewable Energy 36 (2011) 1196-1202.

[26] B.-T. Liu, K.-H. Chien, C.-C. Wang, "Effect of working fluids on Organic Rankine Cycle for waste heat recovery", Energy 29 (2004) 1207-1217.

[27] R. El Chammas, D. Clodic, "Combined Cycle for Hybrid Vehicles. Society of Automotive Engineers (SAE)", 2005.

[28] H.D.M. Hettiarachchia, M. Golubovica, W.M. Worek, "Optimum design criteria for an Organic Rankine Cycle using low-temperature geothermal heat sources", Energy 32 (9) (2007) 1698-1706.

[29] B. Saleh, G. Koglbauer, M. Wendland, J. Fischer, "Working fluids for lowtemperature Organic Rankine Cycles", Energy 32 (2007) 1210-1221.

[30] A. Borsukiewicz-Gozdur, W. Nowak, "Comparative analysis of natural and synthetic refrigerants in application to low temperature Clausius-Rankine Cycle", Energy 32 (2007) 344-352.

[31] B.F. Tchanche, G. Papadakis, G. Lambrinos, A. Frangoudakis, "Fluid selection for a low-temperature solar Organic Rankine Cycle", Applied Thermal Engineering 29 (2009) 2468-2476.

[32] D. Mikielewicz, J. Mikielewicz, "A thermodynamic criterion for selection of working fluid for subcritical and supercritical domestic micro CHP", Applied Thermal Engineering 30 (2010) 2357-2362.

[33] Li, C. Zhao, and X. Hu, “Thermodynamic analysis of Organic Rankine Cycle with Ejector,” Energy, vol. 42, no. 1, pp. 342–349, 2012.

[34] G. Angelino, M. Gaia, E. Macchi, "A review of Italian activity in the field of Organic Rankine Cycles", VDI Berichte 539 (1984) 465-482.

[35] A. McMahan, "Design & Optimization of Organic Rankine Cycle Solar-Thermal Powerplants", Master of Science thesis, Madison, WI, 2006.

[36] M. Grljui, V. Medica, and N. Rai, “Thermodynamic analysis of a ship power plant operating with waste heat recovery through combined heat and power production,” Energies, vol. 7, no. 11, pp. 7368–7394, 2014.

[37] A. . Fallis, "VDI Heat Atlas", vol. 53, no. 9. 2013.

[38] Y. Y. Hsieh and T. F. Lin, “Saturated flow boiling heat transfer and pressure drop of refrigerant R-410A in a vertical plate heat exchanger,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 45, no. 5, pp. 1033–1044, 2002.

45

[39] W. S. Kuo, Y. M. Lie, Y. Y. Hsieh, and T. F. Lin, “Condensation heat transfer and pressure drop of refrigerant R-410A flow in a vertical plate heat exchanger,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 48, no. 25–26, pp. 5205–5220, 2005.

[40] B. V. Datla and J. Brasz, “Comparing R1233zd and R245fa for Low Temperature ORC Applications,” Int. Refrig. Air Cond. Conf., p. 7, 2014.

[41] Incropera FP., Dewitt DP.: Fundamentals of heat and mass transfer. 5th Ed. New York: John Willey and Sons, 2002

[42] European Parliament and Council, “European Parliament legislative resolution of 12 March 2014 on the proposal for a regulation of the European Parliament and of the Council on fluorinated greenhouse,” vol. 0305, no. March, pp. 1–60, 2014.

46

I-ERANSKINA: FLUIDO EZBERDINEN

PROPIETATE TERMODINAMIKOAK

R1233zd(E)

R1233zd(E) hi Pi si Ti vi xi

5 228,9 6,625 1,1 23,28 0,0009279

6 301,8 6,625 1,325 80,3 0,0008977 0

7 459,7 6,625 1,771 80,3 0,02856 1

8 463,3 6,625 1,782 84 0,0291

9 431,9 1,296 1,782 36,05 0,1452

10 438,2 1,296 1,802 43,5 0,1493

11 422,7 1,296 1,751 25 0,1392 1

12 230,9 1,296 1,108 25 0,0007919 0

13 228,4 1,296 1,1 23

14 228,8 6,625 1,1 23,19 0,0009284

R245fa

R245fa hi Pi si Ti vi xi

5 230,4 8,075 1,105 23,31 0,0008745

6 310,5 8,075 1,351 80,83 0,0008568 0

7 462,3 8,075 1,78 80,83 0,02218 1

8 466,1 8,075 1,791 84 0,02262

9 434,6 1,478 1,791 37,36 0,1237

10 440,9 1,478 1,811 43,98 0,127

11 422,8 1,478 1,752 25 0,1173 1

12 232,5 1,478 1,113 25 0,0007471 0

13 229,8 1,478 1,105 23

14 230,3 8,075 1,105 23,22 0,0008749

47

R134a

R134a hi Pi si Ti vi xi

5 85,61 26,63 0,3161 24,36 0,0008488

6 175,2 26,63 0,5906 80,49 0,001082 0

7 280,5 26,63 0,8884 80,49 0,006339 1

8 287,2 26,63 0,9072 84 0,006743

9 260,2 6,658 0,9072 25 0,03022

10 265,6 6,658 0,9253 26,38 0,03115

11 264,2 6,658 0,9205 25 0,03089 1

12 86,4 6,658 0,3243 25 0,0008287 0

13 83,56 6,658 0,3147 23

14 85,2 26,63 0,3147 24,06 0,0008493

48

II-ERANSKINA: T-s eta P-h diagramak

R134a

49

R1233zf(E)

50

R245fa

51

III-ERANSKINA: ITERAZIOAK

R245fa

52

R134a

53

R1233zd(E)

54

IV-ERANSKINA: EES programaren kodiagoa

Fluido$='R1233zd(E)' eta_iso_turb=0,8 { turbinaren errendimendu isoentropikoa} eta_iso_pon=0,8 { Ponparen errendimendu isoentropikoa} T_sw=18 [C] { Ur gezaren temperatura} T_w=89 [C] { Uraren sarrera temperatura} deltat_T=5 [C] { Bero trukagailuen temperatura aldaketa} deltat_T_pp=5 [C] { Pic puntuaten tenperatura ezberdintasuna} deltat_T_azpi=2 { kondentsagailuan likido azpioztua} emaria=40 [m^3/h] " uraren emaria m^3/h " P_w=3,5 [bar] { Uraren Presioa} Q=215,28 [Kw] {Urare bero ahalmena %75 errendimenduarekin} cp=Cp(Water;T=T_w;P=P_w) { uraren masa emaria} density=Density(Water;T=T_w;P=P_w) m_dot_w=emaria*density*Convert(Kg/h;Kg/s) s[1]=Entropy(Water;T=(T[1]+T[4])/2;P=P_w) s[4]=Entropy(Water;T=(T[1]+T[4])/2;P=P_w) {Presio Bilaketa lurrungailuarentzat} T[1]=T_w { Uraren sarreraren temperatura} Q=m_dot_w*cp*(T[1]-T[4]) { Uraren bero transferentzia} m_dot_ref*(h[8]- h[7])= m_dot_w*cp*(T[1]-T[2]) { Gas egoeraren energia balantzea} m_dot_ref*(h[7]- h[6])= m_dot_w*cp*(T[2]-T[3]) { Fase aldaketaren energia balantzea} m_dot_ref*(h[6]- h[5])= m_dot_w*cp*(T[3]-T[4]) { Likido egoeraren energia balantzea} P_lurrun=6,625 {Presio Bilaketa Kondentsagailuarentzat} P_konde=P_sat(Fluido$;T=T[12]) T[12]=T_sw+deltat_T+deltat_T_azpi

55

{ 12 puntua kondentsagailuaren likido asetua} P[12]=P_konde x[12]=0 h[12]=Enthalpy(fluido$;P=P[12];x=x[12]) s[12]=Entropy(fluido$;T=T[12];x=x[12]) v[12]=Volume(fluido$;T=T[12];h=h[12]) {13 puntua kondentsagailuaren likido azpihoztua} P[13]=P[12] T[13]=T_sw+deltat_T h[13]=Enthalpy(fluido$;T=T[13];P=P[13]) s[13]=Entropy(fluido$;T=T[13];P=P[13]) {14 puntua ponparen irteera teorikoa} s[14]=s[13] P[14]=P[5] T[14]=Temperature(fluido$;P=P[14];s=s[14]) h[14]=Enthalpy(fluido$;T=T[14];P=P[14]) v[14]=Volume(fluido$;T=T[14];h=h[14]) {5 puntua ponparen irteera erreala } P[5]=6,625 h[5]=h[13]+(h[14]-h[13])/eta_iso_pon T[5]=Temperature(fluido$;P=P[5];h=h[5]) s[5]=Entropy(fluido$;T=T[5];P=P[5]) v[5]=Volume(fluido$;T=T[5];h=h[5]) {6 puntua lurrungailuaren likido asetua} P[6]=P[5] x[6]=0 h[6]=Enthalpy(fluido$;P=P[6];x=x[6]) T[6]=Temperature(fluido$;P=P[6];x=x[6]) s[6]=Entropy(fluido$;P=P[6];x=x[6]) v[6]=Volume(fluido$;T=T[6];h=h[6]) { 7 puntua lurrungailuaren lurrun asetua} P[7]=P[5] x[7]=1 h[7]=Enthalpy(fluido$;P=P[7];x=x[7]) T[7]=Temperature(fluido$;P=P[7];x=x[7]) s[7]=Entropy(fluido$;P=P[7];x=x[7]) v[7]=Volume(fluido$;T=T[7];h=h[7]) { 8 puntua lurrungailuaren irteera}

56

P[8]=P[5] T[8]=T_w-deltat_T h[8]=Enthalpy(fluido$;P=P[8];T=T[8]) s[8]=Entropy(fluido$;P=P[8];T=T[8]) v[8]=Volume(fluido$;T=T[8];h=h[8]) { 9 puntua turbinaren irteera ideala} s[9]=s[8] P[9]=P[12] T[9]=Temperature(fluido$;P=P[9];s=s[9]) h[9]=Enthalpy(fluido$;T=T[9];s=s[9]) v[9]=Volume(fluido$;T=T[9];h=h[9]) { 10 puntua turbinaren irteera erreala} P[10]=P[9] h[10]=h[8]-eta_iso_turb*(h[8]-h[9]) T[10]=Temperature(fluido$;P=P[10];h=h[10]) s[10]=Entropy(fluido$;T=T[10];h=h[10]) v[10]=Volume(fluido$;T=T[10];h=h[10]) { 11 puntua kondentsagailuaren lurrun asetua} P[11]= P[10] x[11]=1 h[11]=Enthalpy(fluido$;P=P[11];x=x[11]) T[11]=Temperature(fluido$;P=P[11];h=h[11]) s[11]=Entropy(fluido$;T=T[11];x=x[11]) v[11]=Volume(fluido$;T=T[11];h=h[11]) { Zikloaren errendimendu termikoa} eta_thermal_cycle = ((h[8]-h[10]) - (h[5]-h[13]))/ (h[8]-h[5]) W_dot_turb=m_dot_ref*(h[8]-h[10]) W_dot_pon=(m_dot_ref*(h[5]-h[13])) W_dot_total=W_dot_turb-W_dot_pon { Lurrungailuaren dimentsionamendua} D_out=0,012 [m] "Hodien barneko diametroa " e=0,002[m] {k=16,3} {v=2 [m/s]} V_dot=emaria*Convert(m^3/h;m^3/s) A_lurrun=(((D_out)*(D_out)*pi)/4)*N "Hodi barneko sekzioa" v=(V_dot)/A_lurrun {A_lurrun=(D_w^2*pi)/4}

57

pitch=(1,25*(D_out+e)) D_bounder=D_out*((N/0,249)^(1/2,207)) { Lurrungailuaren Karkasaren diametroa estimatua hodi kopurua kontuan hartuz} BDC=0,009318 { Lurrungailuan karkasaren eta hodien arteko espazioa} D_s=D_bounder+BDC { Karkasaren diametroa} B_s=D_s*0,4 A_s=((pitch-(D_out+e))*D_s*B_s)/(pitch) {hodien arteko azalera} D_equi=4 * (pitch^2 - (pi * D_out^2)/4) / (pi * D_out) { hodien arteko diametro ekibalentea} rho_w=Density(water;T=(T[1]+T[4])/2;P=P_w) L_total_1=4 { luzeera mugatua} v_w=2*(m_dot_w/(A_s*rho_w)) { Uraren abiadura mugatuta dagoena} { bero trukagailua 3 zonetan banatuko dugu} {1, zonaldea} Nus_bero_1=C*(Re_w_1^m)*(Pr_w_1^O) C=0,023 m=0,8 O=0,4 Nus_bero_1_1=Nus_bero_1 Re_w_1=(v*(D_equi))/nu_w_1 nu_w_1=KinematicViscosity(Water;T=T[4];P=P_w) Pr_w_1=Prandtl(Water;T=T[4];P=P_w) k_w_1=Conductivity(Water;T=T[4];P=P_w) h_w_1=(Nus_bero_1_1*k_w_1)/D_out "Hozgarriaren bero transferentzi koefizientea " Nus_ref_1=(((f_1/8)*Re_ref_1*Pr_ref_1)/(12,7*((f_1/8)^0,5)*(Pr_ref_1^(2/3)-1)+1,07))*(k_ref_1/k_wall_1)*(mu_ref_1/mu_wall_1) { Kanpotik doan fluidoaren bero trasmizioa frikzioa kontuan hartuz} Re_ref_1=(v_ref_1*D_equi)/nu_ref_1 rho_ref_1=Density(fluido$;T=(T[5]+T[6])/2;P=P[5]) nu_ref_1=KinematicViscosity(fluido$;T=T[5];P=P[5]) v_ref_1=(m_dot_ref)/(rho_ref_1*((A_s))) mu_ref_1=Viscosity(fluido$;T=(T[5]+T[6])/2;P=P[5]) mu_wall_1=Viscosity(water;T=(T[4]+T[3])/2;P=P_w) k_wall_1=Conductivity(fluido$;T=(T[4]+T[3])/2;P=P_w) f_1=(0,79*ln(Re_ref_1)-1,64)^(-2) Pr_ref_1=Prandtl(fluido$;T=T[5];P=P[5]) k_ref_1=Conductivity(fluido$;T=T[5];P=P[5]) h_ref_1=(Nus_ref_1_1*k_ref_1)/(D_out) T_h_in_1= T[3] "unmixed fluid inlet temperature" T_h_ou_1= T[4] "unmixed fluid inlet temperature" t_co_in_1= T[5] "mixed fluid inlet temperature"

58

t_co_ou_1= T[6] "mixed fluid outlet temperature" P_lurr_1=(t_co_ou_1-t_co_in_1)/(T_h_in_1-t_co_in_1) R_lurr_1=(T_h_in_1-T_h_ou_1)/(t_co_ou_1-t_co_in_1) F_lurr_1=LMTD_CF('shell&tube_1';P_lurr_1;R_lurr_1) Nus_ref_1_1=Nus_ref_1*F_lurr_1 "#############################################################################" "#############################################################################" "1 Zonaldearen bero transferentzi koefizientea, hozgarri eta ura erresistentziak seriean hartuz " (1/U_1)=((1)*((1/h_ref_1)+(1/h_w_1))) "Batez besteko tenperatura logaritmikoa" DELTAT_lm_1=(DELTAT_in_1-DELTAT_out_1)/ln(DELTAT_in_1/DELTAT_out_1) DELTAT_in_1=T_hot_out_1-T_c_in_1 DELTAT_out_1=T_hot_in_1-T_c_out_1 T_hot_in_1=T [1] T_hot_out_1=T [4] T_c_in_1=T [5] T_c_out_1=T [6] "Bero transmizioa 1. zonaldearen azalera lortzeko" Q_DOT_1=m_dot_ref*(h[6]-h[5])*Convert(KW;W) Q_DOT_1=U_1*A_1*F_lurr_1*DELTAT_lm_1 "(2) ZONALDEA" Nus_w_2=C*(Re_w_2^m)*(Pr_w_2^O) Re_w_2=(v*(D_out))/nu_w_2 nu_w_2=KinematicViscosity(Water;T=T[2];P=P_w) Pr_w_2=Prandtl(Water;T=T[2];P=P_w) k_w_2=Conductivity(Water;T=T[2];P=P_w) h_w_2=(Nus_w_2*k_w_2)/D_out "Hozgarriaren bero transferentzi koefizientea, lehengo fase aldaketarik ez balego bero transferentzi koefizientea lortuz (h_ref_2_liq)" T_bulk=(T[2]+T[3])/2

59

T_sat=T_sat(fluido$;P=P[6]) q_dot_nucleate=(mu_ref_2*DELTAh_vap*((((rho_l-rho_g)*g)/sigma)^0,5)*(((T_s-T_sat)*cp_l)/((C_sf*DELTAh_vap*(Pr_ref_2_liq)^n_sf)))^3)*Convert(KW/m^2;W/m^2) Nus_ref_2_liq=C*(Re_ref_2_liq^m)*(Pr_ref_2_liq^O) Re_ref_2_liq=(v_ref_2*D_equi)/nu_ref_2_liq nu_ref_2_liq=KinematicViscosity(fluido$;h=h[6];P=P[5]) mu_ref_2=Viscosity(fluido$;T=T[5];P=P[5]) DELTAh_vap=Enthalpy_vaporization(fluido$;T=T[6]) rho_ref_2=Density(fluido$;h=h[6];P=P[5]) v_ref_2=(v_ref_3+v_ref_1) /2 g=9,81 [m/s^2] rho_l=Density(fluido$;T=(T[5]+T[6])/2;P=P[5]) rho_g=Density(fluido$;T=(T[8]+T[7])/2;P=P[5]) sigma=SurfaceTension(fluido$;T=T[6]) cp_l=Cp(fluido$;T=T[5];P=P[5]) T_s=T_bulk C_sf=0,013 n_sf=1,7 Pr_ref_2_liq=Prandtl(fluido$;h=h[6];P=P[5]) k_ref_2_liq=Conductivity(fluido$;T=(T[5]+T[6])/2;P=P[5]) h_ref_2=(q_dot_nucleate)/(T_bulk-T_sat) "#############################################################################" "#############################################################################" "2 Zonaldearen bero transferentzi koefizientea, hozgarri eta ura erresistentziak seriean hartuz " (1/U_2)=((1)*((1/h_w_2) +(1/h_ref_2))) "Batez besteko tenperatura logaritmikoa" DELTAT_lm_2=(DELTAT_in_2-DELTAT_out_2)/ln(DELTAT_in_2/DELTAT_out_2) DELTAT_in_2=T_hot_out_2-T_c_in_2 DELTAT_out_2=T_hot_in_2-T_c_out_2 T_hot_in_2=T[2] T_hot_out_2=T[3] T_c_in_2=T[6] T_c_out_2=T[7] "Bero transmizioa W-tan 2, zonaldearen azalera lortzeko" Q_DOT_2=m_dot_ref*(h[7]-h[6])*Convert(KW;W) Q_DOT_2=U_2*A_2*DELTAT_lm_2 "(3) ZONALDEA" "Kamisetako uraren bero transferentzi koefizientea"

60

Nus_w_3=C*(Re_w_3^m)*(Pr_w_3^O) T_w_3_in=T[1] T_w_3_out=T[2] Re_w_3=(v*(D_equi))/nu_w_3 nu_w_3=KinematicViscosity(Water;T=T[1];P=P_w) Pr_w_3=Prandtl(Water;T=T[1];P=P_w) k_w_3=Conductivity(Water;T=T[1];P=P_w) h_w_3=(Nus_w_3*k_w_3)/D_out "Hozgarriaren bero transferentzi koefizientea" Nus_ref_3=(((f_3/8)*(Re_ref_3-1000)*Pr_ref_3)/(1+12,7*((f_3/8)^0,5)*(Pr_ref_3^(2/3)-1))) Re_ref_3=(v_ref_3*D_equi)/nu_ref_3 nu_ref_3=KinematicViscosity(fluido$;T=T[8];P=P[5]) f_3=(0,79*ln(Re_ref_3)-1,64)^(-2) rho_ref_3=Density(fluido$;T=(T[8]+T[7])/2;P=P[5]) v_ref_3=(m_dot_ref)/(rho_ref_3*((A_s))) Pr_ref_3=Prandtl(fluido$;T=(T[8]+T[7])/2;P=P[5]) k_ref_3=Conductivity(fluido$;T=(T[8]+T[7])/2;P=P[5]) h_ref_3=(Nus_ref_3_3*k_ref_3)/(D_out) T_h_in_3= T[1] "unmixed fluid inlet temperature" T_h_ou_3= T[2] "unmixed fluid inlet temperature" t_co_in_3= T[7] "mixed fluid inlet temperature" t_co_ou_3= T[8] "mixed fluid outlet temperature" P_lurr_3=(t_co_ou_3-t_co_in_3)/(T_h_in_3-t_co_in_3) R_lurr_3=(T_h_in_3-T_h_ou_3)/(t_co_ou_3-t_co_in_3) F_lurr_3=LMTD_CF('shell&tube_1';P_lurr_3;R_lurr_3) Nus_ref_3_3=Nus_ref_3*F_lurr_3 "#############################################################################" "#############################################################################" "3 Zonaldearen bero transferentzi koefizientea, hozgarri eta ura erresistentziak seriean hartuz " (1/U_3)=((1)*((1/h_ref_3)+(1/h_w_3))) "Batez besteko tenperatura logaritmikoa" DELTAT_lm_3=(DELTAT_in_3-DELTAT_out_3)/ln(DELTAT_in_3/DELTAT_out_3) DELTAT_in_3=T_hot_out_3-T_c_in_3 DELTAT_out_3=T_hot_in_3-T_c_out_3

61

T_hot_in_3=T[3] T_hot_out_3=T[4] T_c_in_3=T[7] T_c_out_3=T[8] "Bero transmizioa W-tan 3. zonaldearen azalera lortzeko" Q_DOT_3=m_dot_ref*(h[8]-h[7]) "3 zonaldeko bero transmizioa W-tan" Q_DOT_3=U_3*A_3*F_lurr_3*DELTAT_lm_3*Convert(W;KW) A_total=A_1+A_2+A_3 "Batez besteko tenperatura logaritmikoa" DELTAT_lm_lurrun=(DELTAT_in_lurrun-DELTAT_out_lurrun)/ln(DELTAT_in_lurrun/DELTAT_out_lurrun) DELTAT_in_lurrun=T_hot_out_lurrun-T_c_in_lurrun DELTAT_out_lurrun=T_hot_in_lurrun-T_c_out_lurrun T_hot_in_lurrun=T[1] T_hot_out_lurrun=T[4] T_c_in_lurrun=T[5] T_c_out_lurrun=T[8] "Bero transmizioa W-tan 3. zonaldearen azalera lortzeko" Q_DOT_lurrun=m_dot_ref*(h[8]-h[5]) "zonaldeko bero transmizioa W-tan" Q_DOT_lurrun=U_lurrun*A_total*F_lurr_lu*DELTAT_lm_lurrun*Convert(W;KW) L_lurrun=A_total/(pi*N*D_out) "zonaldearen luzeera" U_max=2000 U_min=500 Q_DOT_lurrun=U_max*A_min*F_lurr_lu*DELTAT_lm_lurrun*Convert(W;KW) Q_DOT_lurrun=U_min*A_max*F_lurr_lu*DELTAT_lm_lurrun*Convert(W;KW) L_max=A_max/(D_out*N*pi) L_min=A_min/(D_out*N*pi) U_lurrun_1=1000 T_h_in_lu= T[1] "unmixed fluid inlet temperature" T_h_ou_lu= T[4] "unmixed fluid inlet temperature" t_co_in_lu= T[5] "mixed fluid inlet temperature" t_co_ou_lu= T[8] "mixed fluid outlet temperature" P_lurr_lu=(t_co_ou_lu-t_co_in_lu)/(T_h_in_lu-t_co_in_lu) R_lurr_lu=(T_h_in_lu-T_h_ou_lu)/(t_co_ou_lu-t_co_in_lu) F_lurr_lu=LMTD_CF('shell&tube_1';P_lurr_lu;R_lurr_lu) Q_DOT_lurrun=U_lurrun_1*A_total_1*F_lurr_lu*DELTAT_lm_lurrun*Convert(W;KW) N=A_total_1/(L_total_1*pi*(D_out+e))